JP2934970B2

JP2934970B2 - 水中音響変換器

Info

Publication number: JP2934970B2
Application number: JP1288442A
Authority: JP
Inventors: 幸治小倉
Original assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Current assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Priority date: 1989-11-06
Filing date: 1989-11-06
Publication date: 1999-08-16
Anticipated expiration: 2014-08-16
Also published as: JPH03148884A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、合成ゴム等のゴム基材に圧電磁器粉末を配
合した圧電複合材料よりなる圧電ゴムを備え、例ば水中
に音波または超音波を送出したり、また逆に水中を伝播
する音波または超音波を受波する水中音響変換器に関す
る。

［従来技術］チタン酸鉛（PbTiO₃）等の異方性のある圧電磁器の粉
末はペロブスカイト構造をもつ強誘電体材料であり、こ
のため種々の圧電材料や焦電材料として広く使用されて
いるが、特に最近では水中での圧電定数d_h（d₃₃＋2
d₃₁）及びg_h（＝d_h/ε）が大きいことからハイドロフォ
ン等の水中音響変換器用圧電材料として注目されてい
る。

このような水中音響変換器用圧電材料としては、音波
又は超音波を効率よく水中へ放射したり受波し得るよう
に水との音響整合性がよく、かつ水中深く浸漬してもそ
の水圧に充分耐え得る強度を有するように低密度、可撓
性に富んだ圧電材料が要求される。

そしてかかる要望に応えるものとして、チタン酸鉛等
の粒子を作成し、これを合成ゴムなどのゴム基材中に混
合した複合材料が提案され、この材料にあって、さらに
大きな圧電定数d_h,g_hのものの実現が要望されている。

［発明が解決しようとする課題］水中音響変換器に用いられる圧電ゴムの圧電定数d_h,g
_hを高くするためには、ゴム基材中における異方性のあ
る圧電磁器、例えばPbTiO₃,BiFeO₃,Bi₅TiNbWO₁₅（混合
層状複合ビスマス酸化物），チタン酸鉛・ビスマスフェ
ライト固溶体等の粉末の体積割合を増加させれば良いこ
とは一般的に知られている。すなわち、第１図のグラフ
に示す理論曲線のように体積割合の増加に伴って誘電率
ε₃₃ ^T/ε₀,圧電定数d_hが上昇することが机上にあって予
測されるのである。

ここで、同図に示すように例えば平均粒径3,3μm,7.3
μｍのような小さな粒径のみをゴム基材中に含有させた
圧電複合材料は、平均粒径が31.8μｍのような大きな粒
径のみをゴム基材中に含有させたものに比して圧電定数
d_hが低いとされる。

従って大きな粒径の圧電磁器粉末を用いて、その体積
割合を可及的に増大すれば、圧電定数d_hを増大し得るこ
ととなる。

ところが、実際には体積割合を増大しても、第１図に
示す様に60％程度から誘電率ε₃₃ ^T/ε₀,及び圧電定数d_h
は下降気味となり、必ずしま理論通りにはならない。ま
た大粒径の圧電磁器粉末のみを用いたものにあっては、
そのゴム基材に対する体積割合を増加させた場合には、
第２図に示す様に、誘電率の変化率Δε₃₃ ^T/ε₃₃ ^T及び
圧電定数の変化率Δd_h/d_hが大きくなり、圧電依存性が
増大する。さらには小さな粒径のみをゴム基材中に含有
させた圧電複合材料にあっても、大粒径のものほどでは
ないが、やはり上記各変化率が体積割合の増加と共に大
きくなって圧力依存性が増大する。

そしてこのように圧力依存性が高いと、異なった深度
（水圧）で水中音響変換器を用いた場合には出力のバラ
付きを生じ、出力の補正を要して信号処理が面倒となる
通の問題を生じることとなる。

ここで上記各変化率は、圧電複合材料の試料を絶縁溶
液中に浸漬して、静水圧を0.5MPaから15MPaに増大させ
たときの、夫々の特性値の変化をとったものである。

本発明は、圧力依存性が少なく、しかも圧電定数d_h,g
_hの高い水中音響変換器の提供を目的とするものであ
る。

［課題を解決するための手段］本発明は、表裏に電極が形成され、かつ厚み方向に分
極されてなる圧電ゴムを備えた水中音響変換器におい
て、前記圧電ゴムを、夫々限界値が平均粒径に対して±３
σ（σ；標準偏差）の範囲にある粒径分布を有し、その
平均粒径が５〜10μｍである圧電磁器粒子群と、同じく
平均粒径が20μｍ以上である圧電磁器粒子群とを体積比
1:5〜5:1の範囲で配合し、ゴム基材中に圧電磁器粒子の
総量の体積割合が60％以上となるように混合して構成し
てなる圧力依存性の小さな圧電複合材料によって形成し
たことを特徴とするものである。

［作用］上述した従来構成の水中音響変換器の圧電ゴムに用い
られる、圧電複合材料の圧力依存性が体積割合の上昇と
共に大きくなる理由を検討する。

ゴム基材中の圧電磁器粉末の量を増大した場合にあっ
て、大きな平均粒径のものによって該粉末を構成したも
のは、その密度の上昇と共に各粒子が密接しあって、そ
の間に比較的大容積の間隙を生じる。このためゴム基材
と、圧電磁器粉末との混合過程で、材料中に混入した空
気が該間隙中に閉じ込められて、大きな気孔が生じ易
い。一方、小さな粒径のものあっては、圧電磁器粉末の
表面積が著しく増大するから、圧電磁器粉末とゴム基材
との粒界に形成された小さな気孔が空気層となって増大
することが考えられる。

すなわち、両者の間隙の形成メカニズムは夫々異なる
としても、粒径が過大であっても過小であってもその配
合量が増大することにより気孔含有量が増加することが
予想されるのである。そしてこのように気孔があると、
圧電複合材料を水中等の高圧下で用いた場合にこれが圧
縮され、その特性に変化を生ずる。

そこでこの気孔の増加を調べるために、試料の実測密
度ρ_measと、各構成成分から割り出した理論密度ρ_cal
との比を取って、圧電磁器粒子の体積割合に対する変化
を調べた。この結果、体積割合が65％以上となる密度比
ρ_meas/ρ_caiが減少し、理論密度ρ_calよりも実測密度
ρ_measが減少することが解った。そしてこの密度差は、
結局気孔の増大によるものと考えることができ、従って
体積割合の増加と共に気孔が増大していくものと結論づ
けられる。

そこで本発明者はかかる知見に基づき、大粒径のもの
と、小粒径のものとを所定の割合で混合すれば、大粒径
のものの間に小粒径のものが介在することにより、粒子
間に密閉状の間隙が生じることがないため粒子間にゴム
基材が均一状に混入され、また粒子の単位重量あたりの
表面積も減少して、粒界に生じる気孔の発生を抑制する
ことができると考えた。

そして各種の試験の結果、夫々限界値が平均粒径に対
して±３σ（σ；標準偏差）の範囲にある粒径分布を有
し、その平均粒径が５〜10μｍである圧電磁器粒子群
と、同じく平均粒径が20μｍ以上である圧電磁器粒子群
とを体積比1:5〜5:1の割合で配合し、ゴム基材中に圧電
磁器粒子の総容量の体積割合が60％以上となるように混
合して構成してなる圧電複合材料は、圧力依存性が少な
く、かつ圧電定数の高い有用な材料であることを確認し
た。すなわち、かかる圧電複合材料を用いて圧電ゴムを
形成し、これにより水中音響変換器を構成した場合に
は、優れた特性のものを実現できることとなる。

［実施例］本発明に係る圧電ゴム1a,1bを形成するための圧電複
合材料につき説明する。

まず、平均粒径7.3μｍ及び31.8μｍのチタン酸鉛粒
子群（PT）を用意し、これを1:5,1:2,1:1,2:1及び5:1の
割合で配合したものを、クロロプレンゴムと混合し、そ
の配合比がチタン酸鉛粒子の体積割合を50％,55％,62.5
％,65％,70％,72.5％,75％,77.5％.80％とする50種類の
混合試料を作成した。ここで平均粒径7.3μｍ及び31.8
μｍのチタン酸鉛粒子群は第７図ロ，ハに示す粒径分布
からなり、いずれも粒径分布の限界値が平均粒径に対し
て±３σ（σ；標準偏差）の範囲にある。

そして前記配合比のものに加硫剤を加え、混練後、平
面方向に圧力を印加しながら80mm各（厚み0.5mm）の平
板状に加硫成形し、さらに銀ゴム電極付け，分極の各工
程を順次行ない、こうして形成された圧電ゴム1a,1bを
第３図の様にφ30の円板に切り出し、二枚を中心が陽極
に、外則面が負極になるように貼り合せ、各電極にケー
ブル2a,2bを各極に接続し、さらにこれをダンピング材
３に貼り付けて、ポリウレタン樹脂４で樹脂モールドし
て圧電ゴム1a,1bを備える水中音響変換器を構成した。
そして各特性を測定した。

また同様に、これと比較するように、チタン酸鉛の粉
末の平均粒径が各々3.3μm,7.3μm,及び31.8μｍのPT粉
末単体のものを体積割合が30％,40％,50％,60％,65％,7
0％,75％,80％となるようにゴム基材に混合した圧電複
合材料計27種類を用意した。ここで、平均粒計3.3μｍ
のものは第７図イに示す粒径分布の粒子群であって、粒
径分布の限界値が平均粒径に対して±３σ（σ；標準偏
差）の範囲にある。

同様に平均粒径15.2μｍのPT粉末単体のものを体積割
合が70％となるようにゴム基材に混合した圧電複合材料
を比較試料として用意した。

さら本発明の他材料の実施例として、平均粒径6.9μ
ｍと35.0μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）磁器粉末
を体積比1:1にて配合し、これを体積割合80％となる様
にクロロプレンゴム中に配合した。そして各圧電複合材
料により同一構造の圧電ゴムからなる水中音響変換器を
構成し、各特性を測定して比較した。

この結果、第１図〜第６図に示す各関係を得ることが
できた。また次表に例示する値を得ることができた。こ
こで次表はPTの体積割合が70％及びその付近の各測定値
を示すものである。

上記の表に示す様に、各体積割合のものにおいて、密
度比ρ_meas/ρ_calはいずれも90％以上である。そして第
２図に示す様に平均粒径3.3μm,7.3μｍまたは31.8μｍ
のチタン酸鉛粒子のみをゴム基材に混合したものが、そ
の体積割合が60％以上となると急速に低下し、前表に示
す様に体積割合70％ぐらいでは密度比96.7％（平均粒径
7.3μｍ）,96,9％（平均粒径31.8μｍ）,96.2％（平均
粒径15.2μｍ）となるのに比して、本発明のPT系複合材
料は同じく体積割合70％ぐらいでは密度比97.2％であ
り、その減少が小さく気孔が従来構成に比して減少して
いることが認められた。

一方、音速ｃはあまり変化がなく、音響インピーダン
スに変化を与えず、水中音響変換器用圧電材料として有
用性を維持し得るものであった。

また誘電率ε₃₃ ^T/ε₀,受波感度及び圧電定数d_h,d₃₃も
向上し、良好な特性を有するものとして確認された。

また径方向の圧電定数d₃₁を、d_h＝d₃₃＋2d₃₁の関係か
ら、前記圧電定数d_h,d₃₃により計算して求めたところ、
注目すべきことに圧電定数d₃₁の絶対値は極めて小さな
値となり、クロロプレンゴムに対する混合粒子の体積割
合が77.5％以上で零に近似するものとし得ることが確認
された。

この圧電定数d₃₁が零近くなると、圧電変換器に付与
される径方向の振動は、通常ノイズを発生させるもので
あるが、この径方向振動による出力の発生が抑制され、
受波特性が向上することとなる利点がある。

さらにはPZT磁器粉末を用いた従来の圧電複合材料
は、チタン酸鉛粒子に比して圧電定数d₃₃が高いという
良好な特性を持っているが、反面において圧電定数d₃₁
の絶対値も高く、その有用性を減殺されていた。ところ
が、前表の様に二種類の大小の平均粒径の圧電磁器粒子
群を混合した本発明のPZT系複合材料は圧電定数d₃₁が−
1.5と小さい。この実験から帰納されるように、PZT系複
合材料にあっても、本発明を適用することにより圧電定
数d₃₃を向上できると共に、圧電定数d₃₁の絶対値をも減
少させることができ、その有用性をさらに引き出し得る
ことが解る。

圧力依存性についてみると、試料を絶縁溶液中に浸漬
して静水圧を0.5MPaから15MPaに増大させたときの、誘
電率の変化率Δε₃₃ ^T/ε₃₃ ^T及び圧電定数の変化率Δd_h/
d_hは小さいことが認められる。従って本発明のものは従
来構成に比して圧力依存性を小さくし得ることが解る。

ここで、一般的に圧電定数d_hの大きな材料は変化率Δ
d_h/d_hも大きいとされているが、前表に示されるように
体積割合70％のものを単体のPT系複合材料からなる比較
試料と比べてみると、圧電定数d_hが30.2と大きな値を示
しているにもかかわらず、変化率Δd_h/d_hが比較試料に
比してかなり小さいことが認められた。

而して、かかる構成の圧電複合材料は極めて有用なも
のであることが確認される。

［数値限定の理由］平均粒径31.8μｍと7.3μｍのチタン酸鉛粒子を各種
の配合比で混合した混合粒子を作成し、該粒子をゴム基
材に対して各種の体積割合で混ぜたものの夫々の圧力依
存性を調べた。

ここで、第４図は横軸に平均粒径31.8μｍと7.3μｍ
の比をとり、縦軸に圧電定数d_hをとり、しかも各材料で
静水圧を変化させて圧力依存性を調べたものである。

この結果、ゴム基材に対する体積割合が増大するに従
って、または平均粒径31.8μｍの混合比が増大するに従
って、静水圧をかけたとき（15MPa）と、圧力を解除し
たとき（0.5MPa）の差が大きくなり、圧力依存性が高ま
ることが確認された。

ところで、上述した様に圧力依存性は圧電複合材料中
の空気の含有量と密接に関係している。すなわち、密度
比ρ_meas/ρ_calが小さくなるほど空気の割合が多いこと
が解る。そして平均粒径31.8μｍの割合が高いほど、ま
たは混合粒子のゴム基材への体積割合が高くなるほど空
気の含有量が大きくなり、密度比ρ_meas/ρ_calが小さく
なることが言える。すなわち密度比ρ_meas/ρ_calを基準
とすることにより混合比、体積割合及びその他の要因を
同一俎上にのせて、同じような因子として取り扱うこと
が可能となる。

そこで第５図において、密度比ρ_meas/ρ_calと、圧電
定数d_hの減少率との関係を示す。

この関係を調べると、各試料はおおむね３つの群I,I
I,IIIに分類することができる。すなわち、静水圧を変
化させても圧電定数d_hが殆ど変わらず、圧力依存性が小
さい群Ｉ、圧電定数の変化率と密度比とが一次関数的に
変化する群II、及びその値がランダムであり、しかも比
較的変化率が安定している群IIIである。また群IIは、
群Ｉと近似して変化率が小さい群II aと、群IIIと変化
率が近似する群II b、さらに変化率が大きな群II cに分
けることができる。

そして今度は、第６図にあって横軸に平均粒径31.8μ
ｍと7.3μｍの比をとり、縦軸に混合粒子の体積割合を
とって、前記各群との関係を調べた。

その結果、興味深いことには、圧力依存性が比較的が
小さい群II aがその中央（体積比1:5〜5:1の範囲）で混
合粒子の体積割合の高い方へ侵入しており、かかる範囲
にあっては圧電磁器粒子を多量にゴム基材に混入しても
圧力依存性が良好であることが示された。ところで圧電
磁器の体積割合が大きければ誘電率ε₃₃ ^T/ε_０及び圧電
定数d_hが向上することは第１図にあっても明らかであ
る。従って、かかる解析から平均粒径31.8μｍと7.3μ
ｍの体積比が1:5〜5:1の範囲では、圧力依存性が比較的
小さく、しかも高い誘電率ε₃₃ ^T/ε_０及び圧電定数d_hを
得ることのできる材料であることが判断され得る。

そして、前表に示された平均粒径31.8μｍと7.3μｍ
の体積比が1:1のものも、上記の範ちゅうにおいて所定
の特性を生じているのである。

一方、小平均粒径の圧電磁器粉末の平均粒は５〜10μ
ｍの範囲で考えられる。この範囲のものは、その作成の
容易性において優れて現実的であるからである。また大
平均粒径の圧電磁器粉末の平均粒径は20μｍ以上の範囲
で考えられる。小平均粒径との差は10μｍであるが、そ
の粒子の体積比では８倍の相違があり、この程度の平均
粒径差があれば夫々限界値が平均粒径に対して±３σ
（σ；標準偏差）の範囲にある粒径分布を有するものに
あって、各粒子径がオーバーラップすることが少なく、
所要の作用効果を生じるものとし得るからである。

而してこの結果、本発明に用いられる圧電複合材料
は、上記の粒径分布を有し、その平均粒径が互いに２倍
以上の差をもつことにより、粒径分布の限界値が互いに
オーバーラップすることをほぼ避け得た平均粒子径の異
なる複数群の圧電磁器粉末をゴム基材に混合したものと
定義できる。例えば平均粒径５〜10μｍの圧電磁器粉末
と、平均粒径20μｍ以上の圧電磁器粉末とを体積比1:5
〜5:1の範囲で配合したものを、ゴム基材中に圧電磁器
粒子の総量の体積割合が60％以上となるように混合する
ことにより構成したものとして把握できるものである。

尚、各実施例にあっては、チタン酸鉛粒子での試験値
を示したが、本発明は平均粒径の異なるもの相互の物理
的振る舞いに依存するものであるから、PZT等他の圧電
磁器粉末においても同様の作用効果を奏し得るものであ
り、チタン酸鉛粒子に限定されない。

［発明の効果］本発明の水中用音響変換器に用いられる、圧電複合材
料は、所定の関係にある大平均粒子と小平均粒子径の二
種以上の圧電磁器粒子群を混合して、気孔含有量を可及
的に減少させ、これにより圧電定数d_hが充分大きく、し
かも圧力依存性が小さいという良好な特性を生じる。こ
のためこの圧電複合材料により形成された圧電ゴムを備
える本発明の水中音響変換器は、圧力依存性が小さく、
異なった深度（水圧）で用いた場合にも安定した出力を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電磁器粉末の体積割合と、誘電率ε₃₃ ^T/ε_０
及び圧電定数d_hとの関係を示すグラフ、第２図は圧電磁
器粉末の体積割合と、誘電率ε₃₃ ^T及び圧電定数d_hの変
化率並びに密度比との関係を示すグラフ、第３図は本発
明の水中音響変換器の構成を示す縦断側面図、第４図は
混合粒子の混合比と圧電定数d_hとの関係を示すグラフ、
第５図は密度比と圧電定数d_hの減少率を示すグラフ、第
６図は混合粒子の混合比とその体積割合との関係を示す
グラフ、第７図イ、ロ，ハは夫々本発明の実施例に使用
される平均粒径3.3μm,7.3μm,31.8μｍのチタン酸鉛粒
子の粒径分布を示すグラフである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表裏に電極が形成され、かつ厚み方向に分
極されてなる圧電ゴムを備えた水中音響変換器におい
て、前記圧電ゴムを、夫々限界値が平均粒径に対して±３σ
（σ；標準偏差）の範囲にある粒径分布を有し、その平
均粒径が５〜10μｍである圧電磁器粒子群と、同じく平
均粒径が20μｍ以上である圧電磁器粒子群とを体積比1:
5〜5:1の範囲で配合し、ゴム基材中に圧電磁器粒子の総
量の体積割合が60％以上となるように混合して構成して
なる圧力依存性の小さな圧電複合材料によって形成した
ことを特徴とする水中音響変換器。